毫米波相控阵雷达及其应用发展_石星
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毫米波雷达的原理及应用1. 毫米波雷达的原理毫米波雷达是一种利用毫米波进行感知和定位的雷达系统。
它利用毫米波的短波长特性,能够实现高分辨率的成像和微小目标的探测。
毫米波雷达工作在30 GHz到300 GHz的频段,相较于传统的雷达系统,它具有更高的频率和更小的波长。
毫米波雷达的原理主要包括以下几个方面:1.1 毫米波发射与接收毫米波雷达系统通过发射毫米波信号并接收回波来实现目标的探测和成像。
发射端通常采用毫米波源(例如电磁振荡器)产生毫米波信号,并通过天线系统将信号发射出去。
接收端则通过接收天线接收返回的波束,并将其转换成电信号进行处理。
1.2 多普勒效应毫米波雷达利用多普勒效应可以提取目标运动的信息。
当目标以一定速度运动时,返回的毫米波信号的频率会发生变化。
通过测量频率的变化,可以推算出目标的运动速度和方向。
1.3 雷达信号处理接收到的毫米波信号经过一系列的信号处理算法,如滤波、去噪、调制解调等,得到目标的位置信息和图像。
雷达信号处理能够对信号进行分析和提取特征,以实现目标的探测、跟踪和成像。
2. 毫米波雷达的应用毫米波雷达由于其独特的性能,被广泛应用于多个领域。
以下是毫米波雷达常见的应用场景:2.1 自动驾驶毫米波雷达在自动驾驶领域起到举足轻重的作用。
它能够实时感知周围环境,探测和识别车辆、行人、障碍物等目标,并提供高精度的距离和速度信息。
这些数据能够帮助自动驾驶系统做出准确的决策和规划行动。
2.2 安防监控毫米波雷达在安防监控中广泛应用于人员检测和入侵报警。
它具备高分辨率和隐私保护的特点,准确地检测人体的微小动作并发出警报。
相较于传统的监控摄像头,毫米波雷达可以穿透雨雪和烟雾等恶劣环境,保证安防监控的连续性和可靠性。
2.3 无人机毫米波雷达在无人机领域具备广阔的应用前景。
它能够实现对无人机周围环境的感知和避障,提供高精度的空中定位和导航。
同时,毫米波雷达还可以用于无人机的精确定位、跟踪和成像,实现多功能化的应用。
相控阵雷达研究现状与发展趋势随着雷达技术的不断发展,相控阵雷达作为一种新型的雷达技术,具有远距离、高分辨率、多目标探测等优点,在军事和民用领域都有着广泛的应用前景。
本文将对相控阵雷达的研究现状和发展趋势进行探讨。
相控阵雷达(Phased Array Radar)是一种由大量阵元组成的二维或三维阵列天线,通过控制每个阵元的相位和幅度,从而实现对空中或地面目标的扫描、探测和跟踪。
相比传统的机械扫描雷达,相控阵雷达具有较高的速度、灵活性和可靠性。
在研究方面,目前相控阵雷达主要集中在以下几个方向:首先,研究人员致力于提高相控阵雷达的探测性能。
相控阵雷达具有高分辨率和多目标探测能力,但在复杂电磁环境下,如多径效应、干扰等情况下,探测性能容易受到影响。
因此,研究人员在研究中提出了许多改善探测性能的方法,例如采用自适应波束形成技术、空时处理技术等,以提高相控阵雷达的探测能力。
其次,研究人员还致力于提高相控阵雷达的目标跟踪能力。
相控阵雷达具有较高的扫描速度,可以实现对多个目标的同时跟踪,但在高动态目标跟踪方面还存在一定的挑战。
因此,研究人员通过研究新的跟踪算法,提高雷达的跟踪性能,如采用多模型跟踪算法、粒子滤波算法等。
此外,研究人员还在研究相控阵雷达的抗干扰能力。
由于相控阵雷达的较高发射功率和较宽的工作频带,容易受到干扰的影响。
因此,研究人员在研究中提出了新的抗干扰算法和技术,如自适应干扰抵消技术、频谱域处理技术等,以提高相控阵雷达的抗干扰能力。
未来相控阵雷达的发展趋势主要体现在以下几个方面:首先,相控阵雷达将越来越广泛地应用于军事领域。
相控阵雷达具有较高的灵活性和可靠性,可以实现对多个目标的快速探测和跟踪,因此在军事领域有着重要的应用前景。
未来,相控阵雷达将越来越广泛地用于武器系统、预警系统等领域。
其次,相控阵雷达将越发追求高性能。
随着技术的不断进步,相控阵雷达将更加强调性能的提高,包括探测性能、跟踪性能、抗干扰性能等。
相控阵雷达在导引头中的应用现状与探讨相控阵雷达(Phased Array Radar,PAR)是一种通过电子扫描而不是机械扫描来实现雷达波束的定向的雷达系统。
它由许多单元阵列构成,每个单元阵列都能够独立调整相位和振幅,从而实现对雷达波束的控制。
相控阵雷达具有快速波束转向、多功能、增强隐身检测等特点,因此在导引头领域有着广泛的应用。
在导引头中,相控阵雷达可以用于目标检测、跟踪和导引。
首先,相控阵雷达可以提供高分辨率的目标探测能力,通过电子扫描可以快速扫描整个天空,并能够提供快速更新的目标信息。
其次,相控阵雷达能够实现多目标跟踪,通过多个单元阵列的合作,可以同时跟踪多个目标,并实时更新其轨迹和速度信息。
最后,相控阵雷达可以用于导引,通过对导弹进行导引,使其能够准确地击中目标。
相控阵雷达在导引头领域的应用已经取得了显著成果。
首先,相控阵雷达在导弹的制导中能够实现更高的精度和准确性。
由于相控阵雷达能够实现快速波束转向和多目标跟踪,导弹可以根据导引头的指令实时调整飞行路径,快速锁定目标并进行精确定位,从而提高导弹的命中率。
其次,相控阵雷达还可以提供更好的隐身检测能力。
相比传统机械扫描雷达,相控阵雷达具有更快的扫描速度和更高的空间分辨率,可以更早地发现隐身目标,并提供更准确的目标特征信息。
然而,相控阵雷达在导引头应用中也面临一些挑战。
首先,相控阵雷达的实现需要大量的单元阵列和复杂的信号处理算法,这增加了系统的复杂性和成本。
其次,相控阵雷达的功耗也较高,这对于导弹等小型平台来说是一个挑战。
此外,相控阵雷达在电子对抗环境下的抗干扰能力也需要进一步改进。
为了克服这些挑战,目前有一些研究正在进行。
首先,在相控阵雷达的硬件实现方面,研究人员正在探索新型材料和组件,以提高系统的性能和降低成本。
其次,在信号处理算法方面,研究人员正着重研究更高效的算法,以提高系统的性能和减小功耗。
此外,还有一些研究致力于提高相控阵雷达的抗干扰能力,通过采用新的信号处理方法和抗干扰技术来提高系统的抗干扰性能。
相控阵天线技术的应用及未来发展趋势无线通信技术是现代化社会的重要基础设施之一。
而天线作为无线通信的关键组件,具有决定性的影响。
一种新型的天线技术——相控阵天线技术,近年来受到越来越多的关注。
相控阵天线技术通过电子调节单元阵列,能够控制无线信号的发射和接收方向,实现空间波束形成。
本文将简要介绍相控阵天线技术的基本原理及其在各个领域的应用,并对未来发展趋势进行探讨。
一、相控阵技术的基本原理相控阵技术是基于线性阵列的理论基础,其核心思想是通过电调单元阵列控制波束方向和波前形状。
通过调整电器单元的相位、振幅和极化状态,从而实现波束形成,控制波向。
相控阵技术主要包括以下两个方面的工作:(1)阵列设计:通过制造适当指定大小阵列,并将其分成相等部分阵列,聚焦调制适当的电流、智能电磁波发射器、电磁波接受器,实现阵列辐射成若干区域的强信号,从而实现波束形成。
(2)相位控制:相控阵技术通过电路调节不同元件的相位,保证不同元件形成的波前合成为期望的波前。
具体方法为:在所有基本元件间安装数字相移器,对于信号到达每一个元件的时间,通过计算求解出需要对元件设置的相位差,以实现相位的调节,最终实现波束的控制。
二、相控阵技术的应用相控阵技术具有广泛的应用领域。
下面将简要介绍其在军事、民用通信和雷达系统等各个领域的应用。
1、军事相控阵技术已经广泛应用于军事领域中的雷达系统。
在军事应用领域中具有极为重要的意义。
相控阵雷达具有精准的定位和目标跟踪等优势,可以有效地识别和追踪敌人。
在海上防御领域中,相控阵技术可以用于发现敌方舰队的位置以及船舶编队等信息的探测。
2、民用通信相控阵天线技术在民用通信领域也有着广泛的应用。
无线通信是现代社会的重要组成部分,相控阵技术可以提高通信信号的传输质量,减少信息的暴露。
同时,相控阵技术可以大大提高通信网络的容量,使得更多的人能够享受到高品质的通信服务。
例如,在车载通信系统中,通过使用相控阵天线技术,可以有效提升车辆之间的通信效率和通信质量。
相控阵雷达技术在目标探测中的应用研究第一章:引言相控阵雷达技术是一种现代化的雷达探测技术,其优越的性能和灵活性在目标探测方面得到了广泛的应用。
本文将重点探讨相控阵雷达技术在目标探测中的应用研究。
第二章:相控阵雷达技术概述相控阵雷达技术是利用多个单独的天线元件,通过控制这些元件的相位差异来实现雷达波束的方向和形状控制。
相比传统的雷达技术,相控阵雷达可以更好地控制波束方向和形状,提高雷达探测的精度和灵活性。
第三章:相控阵雷达技术在目标探测中的应用3.1 多目标跟踪相对于传统雷达技术,相控阵雷达可以在短时间内跟踪多个目标。
通过应用自适应波束形成算法,可以迅速定位多个目标的位置和速度信息,实现多个目标的跟踪。
3.2 高精度目标测量相控阵雷达可以通过波束形成算法优化波束方向,降低噪声干扰,提高目标测量的精度。
同时,相控阵雷达的波束形状可根据目标的形状和特征自动调整,使目标测量更加灵活和准确。
3.3 高角度解析度目标探测相控阵雷达技术可通过相位控制实现较高的角度解析度,使雷达信号能够准确地检测和定位高速运动的目标。
利用多天线阵列接收信号,可实现对目标物在距离、方位和俯仰角等方面的全方位探测。
3.4 低威胁探测相控阵雷达系统配备的自适应波束形成技术可以有效地降低噪声、杂波等干扰信号的影响。
相比传统雷达系统,相控阵雷达可以更加快速和精准地探测目标,并有效提高雷达系统的威胁检测能力。
第四章:应用案例4.1 监测交通拥堵相控阵雷达技术可以应用于城市交通管理系统中,通过实时跟踪车辆的移动和位置信息,智能识别路段交通量,提供实时路况信息,为交通拥堵解决方案提供重要参考。
4.2 海上目标探测相控阵雷达技术在舰艇雷达系统中的应用特别明显。
基于良好的波束形成技术,相控阵雷达可在岸线和海上使用,有效地探测海面上的船只、飞机、自由一体机等目标,并支持实时风浪修正,及时提供更准确的海况信息。
第五章:总结与展望相控阵雷达技术在目标探测中的应用是一项极具发展前景的领域。
毫米波有源相控阵现状及其发展趋势毫米波有源相控阵(Active phased array at millimeter wave)是一种将毫米波频段和相控阵技术相结合的无线通信技术。
毫米波有源相控阵利用大量发射天线单元和接收天线单元,通过相对位相控制和幅度控制实现对无线信号的发射和接收。
这种技术具备传输速率高、抗干扰性强、抗衰落性好等优点,因此在5G通信、雷达、无人机通信等领域中有着广泛的应用前景。
目前,毫米波有源相控阵在5G通信领域得到了广泛的关注和研究。
由于毫米波频段具备大带宽的特点,可以提供高数据传输速率,因此被认为是5G网络实现高速、低延迟通信的关键技术之一、而有源相控阵技术的运用可以实现对毫米波信号的精确指向性传输和接收,提高通信质量和覆盖范围,同时也能够降低功耗和成本。
然而,毫米波有源相控阵在实际应用中仍面临一些挑战。
首先是信号传输损耗问题,毫米波信号的传输衰减较大,需要更多的中继设备来提供覆盖,并且大量的天线单元的布局也会增加系统的复杂度。
其次是天气影响问题,毫米波信号对大气中的雨雾和其他雨滴会产生严重的信号衰减,因此在设计中需要考虑天气状况对信号传输的影响,以保证通信质量。
针对上述问题,目前的研究方向主要包括以下几个方面:首先是信号处理算法的研究,通过引入自适应波束形成和干扰抑制算法,提高信号传输效果和系统容量;其次是天线设计的优化,包括天线单元的布局、尺寸、天线阵列的形状等方面,以提高天线的性能和覆盖范围;另外,对于天气影响问题,研究人员也在探索如何通过改进天气预测算法和降低信号衰减的方法来提高信号传输质量。
虽然毫米波有源相控阵还面临一些技术挑战和应用限制,但随着5G 通信技术的快速发展和商用化进程的推进,相信在不久的将来,毫米波有源相控阵将在通信领域有更广泛的应用。
它将为无线通信提供更高的传输速率和更可靠的连接,从而推动智能化、物联网等应用的发展,并促进数字经济的蓬勃发展。
相控阵雷达技术在目标探测与跟踪中的应用雷达技术在战争、民用等领域都具有广泛的应用。
雷达能够探测出目标的位置、速度等信息,为后续的跟踪、识别、制导等提供了重要的数据支持。
而现代雷达技术中,相控阵雷达技术逐渐成为主流。
相比传统的机械式雷达,相控阵雷达具有探测、跟踪精度更高、反应更迅速、抗干扰能力更强等优点,被广泛应用于军事、民航、气象、海洋等多个领域。
相控阵雷达技术的原理是控制射频信号的相位和幅度,形成有向性较强的波束,从而实现对目标的定向探测和跟踪。
与传统的机械式雷达相比,相控阵雷达不需要机械扫描,只需控制阵列中每个元件的相位和幅度,就能够实现波束的快速转向,从而提高了探测和跟踪的效率和精度。
此外,相控阵雷达还具有舒适性压制、多波束、多任务、高速数字信号处理等特点,并且具有良好的抗干扰能力,能够在复杂的电磁环境下工作。
在军事领域,相控阵雷达应用广泛。
具体来说,它主要应用于武器指示、目标搜索、目标跟踪、战机导航等领域。
例如,在武器指示方面,相控阵雷达能够快速锁定敌方目标,精确制导武器进行打击;在目标搜索方面,相控阵雷达可以快速扫描区域,找到敌方目标;在目标跟踪方面,相控阵雷达能够追踪敌方目标位置和速度等信息,以提高打击的精准度;在战机导航方面,相控阵雷达能够为战机提供准确的导航信息,使其更加精确地地避开敌方防空雷达的扫描。
除军事领域外,相控阵雷达还在民用领域得到广泛应用。
例如,在航空方面,相控阵雷达主要用于民航飞机的着陆和起飞等环节中。
相对于传统的机械式雷达,相控阵雷达可以更加准确地确定目标位置和速度,从而为安全着陆和起飞提供更为可靠和准确的数据支持;在气象领域,相控阵雷达可以为气象预报提供更高精度的天气探测和监测信息。
此外,相控阵雷达还被用于海洋领域、交通领域的安全监测等多个领域。
总的来说,相控阵雷达技术的应用范围十分广泛。
与传统的机械式雷达相比,相控阵雷达具有更高的准确度、反应速度更快等特点,被广泛应用于军事、民用、气象、海洋等多个领域。
Ka波段BiCMOS低功耗驱动放大器设计作者:王绍权廖余立王鑫来源:《现代信息科技》2020年第12期摘要:该文介绍了一款Ka波段(33.0 GHz~37.0 GHz)低功耗驱动放大器。
此放大器使用SiGe BiCMOS工艺设计,其采用了Cascade级联结构,提高了放大器的电源电压和工作频率带宽,通过实现共射极与共基极的级间匹配,可以有效地提高放大器的增益。
测试结果表明:在33.0 GHz~37.0 GHz频率范围内,放大器增益大于15.0 dB,OP-1dB为-6.0 dBm。
此放大器采用5.0 V供电,工作电流为8 mA,面积为0.7 mm2。
关键词:Ka波段;放大器;SiGe BiCMOS;有源相控阵雷达中图分类号:TN722.3 文献标识码:A 文章编号:2096-4706(2020)12-0047-04Abstract:In this paper,a Ka-band(33.0 GHz~37.0 GHz) low power driver amplifier is presented. This amplifier tapes out with SiGe BiCMOS process. To improve its power supply and the bandwidth,cascade structure is used. For effectively obtain high power gain of amplifier,the inter-stage matching network between common emitter circuits and common base circuits is used. The measurements indicate that the power gain is larger than 15 dB,the OP-1dB is -6.0 dBm from 33.0 GHz to 37.0 GHz. The power supply is 5.0 V and the static current is 8 mA and the area is 0.7 mm2.Keywords:Ka-band;amplifier;SiGe BiCMOS;active phased array radar0 引言现代有源相控阵由成千上万个天线和收发多功能(T/R)模块构成。
毫米波雷达的基本原理及其应用
毫米波雷达的发射部分通过合适的天线将毫米波信号产生和发射到空
间中。
毫米波信号具有高频率和短波长,对目标物体的分辨率较高,可以
检测小尺寸的目标物体。
而接收部分的天线接收回波信号,并将其转换为
电信号。
通过对接收到的信号进行处理,可以获得目标物体的位置和距离
信息。
其次,在民用领域,毫米波雷达可以用于安全检测和监控领域。
例如,毫米波雷达可以检测人体的无线电波反射,它可以在安保检查站中用于探
测隐藏在衣物下的物品,如刀具、枪支等。
此外,毫米波雷达还可以被用
于行车安全,如车辆的防撞系统,帮助避免交通事故的发生。
再次,毫米波雷达还广泛应用于科学研究领域。
例如,天文学家使用
毫米波雷达来研究宇宙中的恒星、行星的形成和演化过程。
此外,气象学
家利用毫米波雷达来监测大气中的降水情况,以提供准确的天气预报和灾
害预警。
此外,毫米波雷达还可以用于无人机导航和遥感,医学影像诊断等领域。
无人机通过搭载毫米波雷达可以实现自主导航和避障功能,可以应用
于农业、智能物流、环境监测等多个领域。
而在医学方面,毫米波雷达可
以用于拍摄人体组织的测量图像,以提供医生准确的疾病诊断,如乳腺癌
的早期检测等。
综上所述,毫米波雷达利用毫米波信号来进行目标探测和测距,具有
高分辨率、抗干扰能力强等特点。
它在军事、民用和科研等多个领域都有
广泛的应用前景。
随着技术的不断发展,相信毫米波雷达在未来将会有更
多的创新和应用。
相控阵雷达技术的应用与前景在现代技术领域中,相控阵雷达技术是最核心的技术之一。
它不仅是军事领域中的重要技术,也是民用工业和科学研究领域中不可或缺的技术。
在本文中,我们将对相控阵雷达技术的应用与前景进行探讨。
一、相控阵雷达技术的概述相控阵雷达技术是利用阵列天线,通过调节每个天线的相位和振幅,控制雷达波束的方向和形状,达到探测和跟踪目标的目的。
相比传统雷达技术,它具有探测距离远、分辨率高、抗干扰性强等优点,广泛应用于军用和民用领域。
二、相控阵雷达技术的应用1.军事领域在军事领域中,相控阵雷达技术的应用极为广泛。
它可以用于战斗机、导弹等作战武器的目标探测和跟踪,提高武器打击的精度和有效性。
同时,它还可以在舰船、地面防空系统和卫星等各种平台上应用,构成一种完整的防御体系,保障国家安全。
2.民用领域在民用领域中,相控阵雷达技术也有着广泛的应用。
其中,最主要的是在民航、船舶、交通安全等领域中的应用。
例如,在民航领域中,相控阵雷达可以提高飞机的安全性和航行效率,降低事故率。
在船舶领域中,相控阵雷达可以提高船舶的安全性和导航精度,在海洋环境中具有重要意义。
在交通安全领域中,相控阵雷达可以用于监控道路行车情况和预警道路危险区域,减少交通事故发生。
三、相控阵雷达技术的未来随着科技不断发展,相控阵雷达技术也在不断发展与完善。
未来相控阵雷达技术将有以下发展趋势:1.高频率与宽带化:随着卫星通信和数据传输技术的不断进步,相控阵雷达也将采用更高的频率和更宽的频带,提高探测精度和距离。
2.多波束技术:未来相控阵雷达将采用多波束技术,可以同时探测多个目标,提高探测效率和灵敏度。
3.多模式雷达技术:未来相控阵雷达将有更多的模式选择,例如合成孔径雷达、侧视雷达和地形跟踪雷达等,能够适应不同的工作环境和任务需要。
4.智能化与自主化:随着人工智能技术的发展,相控阵雷达也可以实现智能化和自主化,将大大提高工作效率和准确性。
四、结论相控阵雷达技术在军事和民用领域中有着广泛的应用和广阔的前景。
毫米波雷达的应用和发展摘要:毫米波雷达技术根植于电磁波传感领域的长期积累和技术进步,毫米波波段在电磁频谱中处于高频端,波长较短,因此具备较高分辨率,使得毫米波雷达能够精确识别和定位目标,适用于军事情报收集和监测等高精度应用领域。
本文围绕毫米波雷达展开研究,着重探讨其在不同领域中的应用,以及其未来发展趋势,旨在为其更多应用提供广阔发展空间。
关键词:毫米波雷达;应用;发展引言:作为前沿技术,毫米波雷达的应用和发展在当今科技领域引起了广泛关注。
毫米波雷达系统在毫米波段(30 GHz至300 GHz)内工作,以其高频率和高带宽的特点,成为无线通信、感测、监测以及安全领域的重要工具。
本文旨在深入研究毫米波雷达的应用领域和发展趋势,以探讨其在各个领域中的重要性以及未来可能的发展方向,为未来技术进步和创新提供有益参考。
1 毫米波雷达的应用1.1 军事领域应用毫米波雷达在军事领域的应用方面具有广泛潜力,其高频率操作和卓越的性能特征使其在现代战争和国防中发挥了关键作用,其在军事领域中的主要应用领域分述如下:(1)军事情报收集和目标检测。
毫米波雷达的高频率工作使其能够在强降雨、雪暴以及雾霾等各种气象条件下进行精确的目标探测,提供可靠的数据。
此种可靠性能够帮助决策者了解敌方军事活动和部署情况,对于军事战略规划和情报收集至关重要[1]。
(2)目标跟踪和导航。
在现代战斗中,目标的高速移动和机动性使其成为难以捉摸的挑战。
毫米波雷达的高分辨率成像和快速扫描能力使其能够精确追踪这些目标,提供实时位置信息,有助于确保精准打击及作战成功。
(3)隐身飞行器探测。
隐身技术使敌方飞行器更难以被传统雷达系统探测到,但毫米波雷达能够探测到这些隐身飞行器的微小的雷达截面,提供有效解决方案,有助于确保国防的安全。
(4)陆地和海上监测。
毫米波雷达的高分辨率成像能力使其能够监测未经授权的人员或车辆等潜在威胁,此外,毫米波雷达还用于监测海洋环境,完成船只和潜艇探测,有助于提高国土安全和领海保护。
文章编号:1001-893X(2008)01-0006-07毫米波相控阵雷达及其应用发展*石星(中国西南电子技术研究所,成都610036)摘要:概述了毫米波相控阵雷达的特点,介绍了电扫原理和主要毫米波电扫技术,以及相位控制扫描和多种移相器技术。
针对毫米波相控阵雷达的特点,叙述了其主要应用领域,结合雷达和半导体技术对毫米波相控阵雷达的发展进行了展望。
关键词:毫米波雷达;相控阵雷达;电扫天线;移相器;数字波束形成中图分类号:TN958.92文献标识码:AM illi m eter-W ave Phased-Array Radarand its Application ProgressS H I X i ng(Southw est China I nstitute o f E lectron ic Techno l o gy,Chengdu610036,Ch i n a)Abstract:The characteristics ofM illi m eter-W ave(MMW)Phased-A rray R adar(P AR)are descri b ed, t h e pr i n ciple of electron ica ll y scanned array(ESA)and pri m ary e l e ctronically scanned techn i q ues for MMW array are presented,as w ell as phase-con tro lled scan and phase shifter techn iques.M a i n app lication fields ofMMW P AR are ill u m i n ated and its progress is antici p ated on the basis o f radar and se m iconductor techniques.Key w ords:MMW radar;phased-array radar(PAR);electr onically scanned array(ESA);phase sh ifter;dig ita l bea m for m i n g(DBF)1概述随着雷达技术的发展以及不同应用领域日益提高的需要,远距离和高数据率、宽带和高分辨、多目标跟踪和识别、低截获和抗干扰、多功能和高可靠已经成为现代侦察、监视以及火控等雷达的基本要求。
文章编号:1001-893X(2008)01-0006-07毫米波相控阵雷达及其应用发展*石星(中国西南电子技术研究所,成都610036)摘要:概述了毫米波相控阵雷达的特点,介绍了电扫原理和主要毫米波电扫技术,以及相位控制扫描和多种移相器技术。
针对毫米波相控阵雷达的特点,叙述了其主要应用领域,结合雷达和半导体技术对毫米波相控阵雷达的发展进行了展望。
关键词:毫米波雷达;相控阵雷达;电扫天线;移相器;数字波束形成中图分类号:TN958.92文献标识码:AM illi m eter-W ave Phased-Array Radarand its Application ProgressS H I X i ng(Southw est China I nstitute o f E lectron ic Techno l o gy,Chengdu610036,Ch i n a)Abstract:The characteristics ofM illi m eter-W ave(MMW)Phased-A rray R adar(P AR)are descri b ed, t h e pr i n ciple of electron ica ll y scanned array(ESA)and pri m ary e l e ctronically scanned techn i q ues for MMW array are presented,as w ell as phase-con tro lled scan and phase shifter techn iques.M a i n app lication fields ofMMW P AR are ill u m i n ated and its progress is antici p ated on the basis o f radar and se m iconductor techniques.Key w ords:MMW radar;phased-array radar(PAR);electr onically scanned array(ESA);phase sh ifter;dig ita l bea m for m i n g(DBF)1概述随着雷达技术的发展以及不同应用领域日益提高的需要,远距离和高数据率、宽带和高分辨、多目标跟踪和识别、低截获和抗干扰、多功能和高可靠已经成为现代侦察、监视以及火控等雷达的基本要求。
毫米波同相控阵雷达的发展和结合应用,在多个方面适应了现代雷达发展的这些需求。
毫米波段(1~10mm)相对应的频率为30~ 300GH z,其低端毗邻厘米波段,具有厘米波段全天候的特点,高端邻接红外波段,具有红外波的高分辨力特点。
毫米波雷达波束窄,角分辨力高,频带宽,隐蔽性好,抗干扰能力强,体积小,重量轻。
与红外、激光设备相比较,它具有很好的穿透烟、尘、雨、雾的传播特性,具备良好的抗干扰、反隐身、反低空突防和对抗反辐射导弹(/四抗0)的能力。
由于受器件功率和大气条件的影响,毫米波雷达的作用距离受到了一定限制,但这并没有妨碍毫米波雷达的广泛应用。
相控阵雷达,特别是有源相控阵雷达,具有波束扫描快、波形变化灵活、功率孔径积大、易于全固态化和轻小型化、可靠性高等特点,容易实现天线共形设计并具备低截获概率和抗干扰的优良性能。
自20世纪50年代末问世以来,相控阵雷达在地基、空基、海基和天基雷达中得到广泛的应用。
特别是80年代后,砷化镓(Ga A s)等半导体器件的出现极大促进了有源相控阵雷达的迅速发展,有源相控阵雷达大量取代现役的机械扫描雷达,代表了现代雷达的#6#*收稿日期:2007-10-18;修回日期:2007-12-28主要发展方向。
国外新近研制的机载、无人机载、星载和弹载等多种平台的监视、火控和制导雷达多采用有源相控阵体制。
采用毫米波相控阵雷达,综合了毫米波和相控阵雷达的优点,可实现大范围、快速、多目标的搜索截获和跟踪,容易满足不同平台多种功能雷达的需求,是现代雷达应用发展的重要方向。
2毫米波雷达电扫描技术2.1电扫天线采用电子方法实现天线波束指向在空间扫描的天线称为电扫天线(ESA),采用有源相控阵的天线,称为有源电扫天线(AESA)。
电扫天线的扫描方式主要有4种,即相位扫描法、频率扫描法、时间延迟法和电子开关切换法。
相控阵天线是电扫描天线的主要形式,上述的几种扫描方法从原理上可以完全或部分归结于相控扫描,详细原理可参考文献[1]。
改变传输路径长度(相位控制和时延控制)、工作频率和传输速度(改变传输介质的介电常数或磁导率)都可以实现相移,从而得到不同的电扫方法。
从天线基本性的原理上分析,天线方向图完全由天线口径形状和口径上的电流分布决定,天线方向图为天线口径电流分布的傅里叶变换。
具有固定波束的阵列天线和反射面天线实现了离散和连续的傅里叶变换,将经过波导或馈源的激励信号变换为对应的空间波束,由于阵列和反射面的特定固化设计,形成的波束相对天线面的方向和波形固定,只有通过机械转动进行扫描。
相控阵天线的性能由阵元数、阵元的空间位置分布、阵元激励电流、阵元结构形式和阵元的馈电方式5大要素决定。
控制各阵元激励电流的幅相值,改变了离散傅里叶变换的系数,得到不同角度和波形的波束,阵元间相位差的变化主要改变波束的角度,而阵元幅度的变化将改变波束的形状。
阵元的间距表示了空间采样的密度,从而决定了是否有波束模糊形成的栅瓣。
相控阵在空间域的信号序列处理和常规时间域信号处理间存在完整的对偶性。
毫米波雷达的电扫描技术在原理上和微波雷达相同,但由于频率的明显增加,造成了在关键部件可实现方式、达到指标程度和加工难度等方面同微波雷达有较大的差异。
针对不同的应用,需要在不同要求和可实现的途径间进行平衡折衷。
2.2主要电扫技术2.2.1相位扫描法相位扫描法通过控制阵列天线每个阵元或子阵的相位,改变波束指向,实现波束扫描。
相位控制阵列即简称为相控阵,有无源和有源相控阵之分。
有源阵的每个天线阵元连接具有完整收发功能的收发(T/R)组件,完成独立的移相和幅度控制。
无源阵使用单个功率发射和接收机,天线阵元的相位通过功分后的移相器控制。
无源和有源相控阵在原理上的差异导致两者在性能和使用上有显著的差别,有源阵更具有波束和波形控制的灵活性、高可靠和容易实现多功能等优点,发展应用前景更好。
在相位扫描法中,相移控制是实现扫描的关键技术,移相器则是相控阵天线的关键部件。
通过优质移相器对天线阵元的移相,可实现要求的口径照射函数的相位分布和波束方向。
2.2.2频率扫描法频率扫描利用线性阵列辐射单元之间的相位差随频率变化的特性,使天线波束指向变化而实现扫描。
频扫天线的馈源是一个串联馈电的慢波线,单元之间的慢波线长度需要等于多个波长,必须盘绕,也称为/蛇形线0。
频率扫描同样存在随扫描角增加波束变宽和增益下降的问题,通过采用幅度和密度加权可设计要求的副瓣。
频率扫描天线具有传输功率大且实现方法简便的特点,但其缺点也非常明显:首先,由于采用串馈(或等效串馈)阵列,其过渡历程长,需要足够长的时间才能形成一个完整的波束,因而扫描速度受到一定限制;其次,电磁波在馈线中边传播边辐射,能量在馈线中的损耗比通常的并馈阵列严重,频扫阵不宜太长,波束宽度难以做窄;再者,频扫天线的波瓣位置与工作频率一一对应,一旦这种对应规律被敌方截获,容易受到干扰。
频率扫描的这些缺点一定程度限制了其应用,在地面雷达相扫和频扫结合的二维扫描雷达等方面具有应用。
在低成本的Ka 频段毫米波电扫雷达中,法国采用频率扫描和Rot m an透镜结合,研制了二维电扫的雷达样机。
2.2.3时间延迟法时间延迟法对阵元或子阵的馈电时间进行实时延迟控制而实现波束扫描。
在宽带相控阵雷达中扫描波束指向随工作频率变化产生漂移,同时瞬时宽带信号受天线孔径渡越时间的限制,严重制约了宽#7#带相控阵雷达的应用。
在相控阵天线阵元,主要是子阵级采用实时延迟器(TTD)是实现瞬时宽带相控阵的有效措施。
(1)实时延迟的实现实时延迟可以在射频、中频、视频和光波段上实现。
射频实时延迟线长度应是波长的整数倍,结构形式与PI N二极管的数字式移相器相同,其损耗较大,不同延迟状态下损耗不一致。
在中频实现实时延迟与射频方法类似,TTD安置在中频通道。
中频时延的优点是时间与相移的公差易于控制、通道间的延迟损耗容易做到一致以及延迟的色散特性较小,缺点是延迟线长度和体积增加。
视频延迟容易同数字T/R组件和数字波束形成器结合,在阵元级和子阵级实现实时延迟,通过数字化TTD可以精确控制延迟时间。
在毫米波频段,中频和视频实时延迟更容易实现和控制。
(2)采用光纤的实时延迟用光纤实现实时延迟优点较多,包括延迟时间长、不同延迟损耗均匀、体积小、重量轻、易于走线和电磁兼容性好等。
通过光实时延迟的方法抵消一般相控阵天线的孔径渡越时间,可实现相控阵雷达的宽带宽角扫描,同时也可以使得相控阵雷达小型化,并具有强的抗电磁干扰的能力。
实现方案多在子阵级进行光延迟,而在阵元上采用移相器。
采用光纤延迟需要进行光电转换,存在转换损失,一般在低功率状态下实现。
光延迟的方法主要有光延迟线开关、集成光延迟网络和B ragg光栅延迟线,对不同规模、频段和扫描角精度要求的相控阵可实施并联或串联馈电结构的实时延迟。
采用光电子技术实现实时延迟和互联传输在大型相控阵中将会有更广泛的应用。
2.2.4电子开关切换法电子开关切换法通过波束形成网络和透镜形成多波束,采用电子开关对阵元或子阵的馈电端口实现通断控制或切换,从而改变波束指向完成扫描。
开关切换法可以单个波束在时间上切换扫描,也可完成收发同时多波束。
(1)矩阵变换B lass和Butler多波束矩阵是应用较多的网络矩阵变换方法。
B l a ss多波束形成采用串联馈电,利用相邻单元间的传输线长度提供相位扫描,利用定向耦合器激励阵元形成多波束。
Butler网络的基本单元是3dB电桥和固定相移的移相器。
通过N个输入来激励N个阵元,形成N 个波束,各波束正交,是快速傅里叶变换(FFT)的模拟实现。
上述多波束的形成可在射频、中频和视频数字实现。
(2)通过透镜电子开关切换波束扫描的典型例子还包括透镜,其作用是将入射的任何平面波聚焦于该方向某一特定点(焦点),根据透镜的波束孔可以选择切换辐射信号的方向,形成扫描或同时多波束。
毫米波雷达中常用的透镜有Bootlance和Rot m an等透镜。
Bootlance透镜是由一组排列在一个表面上的接收天线用传输线和第二个表面上的发射天线相联接而组成的天线。
每组收发天线与传输线构成一个相对独立的通道,多通道通过输出面在空间中合成需要的辐射方向特性。